Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) araştırmacıları, bakterileri transistörler gibi çalışacak şekilde yeniden programlayarak petri kabındaki bir büyüme ortamına basılabilen yaşayan devre kartları yarattı.
Geleneksel elektronikte transistörler, elektrik akımının devreden geçip geçmeyeceğini kontrol eden anahtarlar olarak görev yapar. MIT'nin geliştirdiği sistemde ise mühendisliği değiştirilmiş bakteri hücreleri, küçük sinyal moleküllerinin hareketini düzenleyerek benzer bir rol üstleniyor. Bu moleküller daha sonra bilgiyi biyolojik devredeki diğer bileşenlere taşıyor.
Araştırmacılar iki farklı bakteri transistörü türü ve bunlar arasında röle görevi gören üç ek bakteri suşu geliştirdi. Bu beş suş bir araya geldiğinde, neredeyse her türlü devreyi inşa etmek için kullanılabilecek modüler bir bileşen seti oluşturuyor. Ekip, yeni çalışmada iki veya üç girdiyi toplayabilen ve tek bir girdiyi seçilen bir hedefe yönlendirebilen devreleri başarıyla test etti.
Çalışmanın başyazarı ve MIT'de doktora sonrası araştırmacı olan Hamid Doosthosseini, “Yaygın olarak kullanılan bazı temel bilgisayar mimarisi bileşenlerini inşa ettik, ancak bu beş suş ile herhangi bir işlem gerçekleştirilebilir” diyor.
Bu yaşayan devrelerin potansiyel kullanım alanlarından biri, bitki yapraklarının veya köklerinin üzerine yerleştirilmesi. Bakteriler bu sayede çevresel koşullara dair bilgileri işleyerek bitkilerin kuraklık veya zararlı böcek saldırıları gibi stres faktörlerini algılamasına ve bunlara yanıt vermesine yardımcı olabilecek.
MIT Biyolojik Mühendislik Bölümü Başkanı Christopher Voigt, yakın zamanda Nature Chemical Biology dergisinde yayımlanan makalenin kıdemli yazarı. Makalenin diğer yazarları arasında eski MIT doktora sonrası araştırmacısı Haorong Chen de yer alıyor.
Bakteri Hücrelerini Transistöre Dönüştürmek
Sentetik biyoloji devreleri genellikle hücreleri, birbirleriyle etkileşime giren proteinler ve transkripsiyon faktörleri üretecek şekilde mühendislikle değiştirilerek inşa ediliyor. Bu sistemler, belirli bir molekülü algılayıp ardından spesifik bir yanıt üretmek gibi görevleri yerine getirecek şekilde programlanabiliyor.
Bu tür devreler farklı mantıksal işlevler yerine getirebilse de karmaşıklıkları sınırlı kalıyor. Araştırmacıların genellikle sinyallerin birbirine karışmasını önlemek için ayrı işlemler adına farklı transkripsiyon faktörlerine ihtiyacı oluyor. Uygun transkripsiyon faktörlerinin sayısı sınırlı olduğu için, tek bir hücrenin içine sığdırılabilecek devrenin karmaşıklığının da pratik bir üst sınırı bulunuyor. Tek bir hücreye çok fazla devre sıkıştırmak, hücrenin protein üretim mekanizmasını da aşırı yükleyebiliyor.
MIT ekibi bu soruna farklı bir yaklaşımla eğildi. Tüm devreyi tek bir hücrenin içine yerleştirmek yerine, farklı düzenlemelerde birbirine bağlanabilecek transistör benzeri bileşenler olarak hizmet etmesi için tekil hücreleri yeniden programladı.
Araştırmacılar bu bileşenler için bitkiler de dahil olmak üzere yüzeylerde yaygın olarak büyüyen Pantoea agglomerans adlı bir bakteri türünü kullandı. OC 6 adı verilen bir moleküle yanıt veren iki farklı bakteri transistörü versiyonu geliştirdiler. Bu türlerden biri molekülle karşılaştığında açılırken, diğeri kapanıyor.
Her transistör ayrıca OC 12 adında ikinci bir hedef molekülü de algılıyor. Bakteri hücresi, OC 12'nin var olup olmamasına ve transistörün aktif edilip edilmediğine bağlı olarak OHC 14 adı verilen bir çıktı molekülü üretiyor.
Yaşayan Hücreleri Birbirine Bağlamak
Ekip daha sonra röle görevi görmesi için Pantoea agglomeransın üç farklı suşunu daha geliştirdi. Bu hücreler, OHC 14 sinyalini bir sonraki transistör için girdi görevi görebilecek başka bir çıktıya dönüştürüyor. Bu sayede tekil bakteri bileşenleri, tıpkı bir elektronik devre kartındaki parçalar gibi birbirine kablolanabiliyor.
Örneğin araştırmacılar, OC 12'yi algılayan iki transistör kullanarak çift yönlü bir anahtar inşa etti. Ayrı bir anahtar girdisine bağlı olarak sistem, bu bilgiyi farklı röle suşları üzerinden geçirerek daha fazla işlem için ek transistörlere iletiyor.
Devreleri bir araya getirmek için araştırmacılar, bakteri kolonilerini büyüme ortamı görevi gören agar içeren plaklara bastı. Her koloni, en yakın komşusundan yaklaşık 5 milimetre uzağa yerleştirildi. Bu mesafe, kimyasal sinyallerin sadece dizideki bir sonraki koloniye ulaşmasını sağlayarak bilginin devre içinde tek bir yönde ilerlemesine olanak tanıyor.
Daha Karmaşık Biyolojik Devreler İnşa Etmek
Araştırmacılar, aynı bakteri transistörünün bir devre içinde konumlandırıldığı yere bağlı olarak birkaç farklı mantıksal işlemi yerine getirebildiğini gösterdi. Bu işlemler arasında çoklu girdi, veya ve ima etme kapıları yer alıyor.
Ekip, birden fazla transistörü birbirine bağlayarak daha karmaşık sistemler de oluşturdu. Bu devreler iki sinyali toplayabiliyor, birden fazla sinyali aynı anda işleyebiliyor ya da tek bir gelen sinyali alıp ayrı bir kontrol sinyaline dayalı olarak birkaç olası hedeften birine yönlendiren bir demultipleksör olarak çalışabiliyor.
Çalışmada sergilenen en büyük devre, iki girdiyi birbiriyle toplamak üzere tasarlanmış ve birbirine bağlı 24 bakteri kolonisinden oluşuyordu.
Voigt, “Bu çalışma, tekil hücrelerdeki daha basit işlevleri birbirine bağlayarak daha karmaşık işlevlere ulaşabileceğimizi gösteriyor. Hesaplama açısından, iPhone'unuzun yapabildiği hiçbir şey yok ki bu devreler yapamasın” diyor.
Ancak hız açısından büyük bir fark bulunuyor. Bakteri devrelerinin gerçekleştirdiği her hesaplama yaklaşık sekiz saat sürüyor; bu da elektronik bir bilgisayarın ihtiyaç duyacağı süreden çok daha uzun. Yine de araştırmacılar, biyolojik uygulamalar için bu hızın hala pratik olabileceğini belirtiyor.
Voigt, “Bilgisayarların yerini almaya çalışmıyoruz, bunun yerine biyolojiye hesaplama kontrolü eklemeye çalışıyoruz. Bitki kökünde bakterileriniz varsa veya hesaplamanın bizzat bitkinin kendisi yapıyorsa, bir büyüme mevsimine kıyasla bir gecede basit bir hesaplama çalıştırmak yeterince hızlıdır” diye ekliyor.
Tarım İçin Yaşayan Bilgisayarlar
Olası uygulama alanlarından biri de tarım. Bu devreler ileride bitki köklerine yerleştirilebilirse, farklı stres biçimlerini algılayacak şekilde programlanabilir. Sistem belirli bir sinyali tanıdığında, fungisit üretmek gibi buna uygun bir yanıtı tetikleyebilir.
Araştırma, kısmen ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) ve ABD İstihbarat İleri Araştırma Projeleri Aktivitesi (IARPA) tarafından finanse edildi.
